全鈦渣原料硫酸法鈦白粉生產工藝環境評價*

黃 慶，蒲 靈 ，田 犀

（1.四川省環境工程評估中心，四川成都 610015；2.四川省工業環境監測研究院）

鈦白粉生產工藝分為硫酸法和氯化法，其中硫酸法生產工藝出現較早，工藝技術成熟，中國主要鈦白粉生產基地攀枝花地區現有12家鈦白粉生產企業均采用硫酸法生產鈦白粉，硫酸法鈦白粉生產工藝系采用熱濃硫酸分解鈦精礦（或高鈦渣），以鐵粉為還原劑制得鈦、二價鐵及其他伴生金屬的硫酸鹽混合溶液（鈦液），在正鈦酸膠體為晶核誘導下將濃鈦液微壓水解生成水合二氧化鈦（偏鈦酸），鹽處理后的偏鈦酸經過濾、煅燒、粉碎制得鈦白粉［1］。鐵含量高將影響鈦白粉白度，因此在偏鈦酸工序通過壓濾將鐵以亞鐵形式分離出來。同時，由于工藝中大量使用硫酸，因此生產過程中產生大量質量分數約20%的稀硫酸，企業將20%稀硫酸濃縮至70%，再與98%硫酸混合回用于鈦白粉生產。硫酸法鈦白粉生產過程鐵元素主要來源于鈦精礦（或高鈦渣）。硫酸耗量主要受原料雜質含量影響，原料含鈦量越高硫酸耗量越少，廢酸產生量也越少。為從源頭控制亞鐵產生量、減少硫酸耗量，筆者采用生命周期評價（LCA）理論，對以全鈦精礦、渣礦混合、全鈦渣為原料的硫酸法鈦白粉生產工藝的環境負荷進行研究，力圖找到一種環境最優的生產工藝。

1 硫酸法鈦白粉生產工藝流程及產污位置

1.1 生產工藝流程及固廢產污位置（見圖1）

圖1 硫酸法鈦白粉生產工藝流程及固廢產污位置

硫酸法鈦白粉生產過程中的鐵主要通過真空結晶工序產生的七水硫酸亞鐵和廢酸濃縮工序產生的一水硫酸亞鐵兩種形式析出。硫酸主要進入廢酸濃縮裝置再利用，少量進入廢水中，經污水處理站中和達標后排入地表水體。

1.2 主要原料及成分

硫酸法生產金紅石型鈦白粉主要使用鈦精礦或高鈦渣兩種原料。高鈦渣是鈦精礦經電爐加熱熔化使二氧化鈦和熔化的鐵分離后得到的高二氧化鈦含量富集物。攀西地區出產的鈦精礦和高鈦渣化學組分見表1、表2。由表1、表2看出，高鈦渣與鈦精礦相比其含鈦量更高、雜質含量更低，特別是鐵質量分數低于7.5%。從環保角度看，在理論上高鈦渣比鈦精礦更適合作為生產鈦白粉的原料。

表1 鈦精礦化學組分 %

表2 高鈦渣化學組分 %

1.3 清單分析

以生產1 t鈦白粉為LCA功能單元，定量收集資源、能源投入和環境排放數據［2］。鈦白粉生產階段清單見表3。由表3看出，由于鈦渣本身含鈦量高、雜質少、鐵含量低，因此全鈦渣工藝相比全鈦精礦或渣礦混合工藝，其物耗、酸耗、水耗、綜合能耗、排水量、亞鐵產生量及硫酸根排放量等均是最低的。全鈦渣工藝酸耗為全鈦精礦酸耗的55%、水耗為73%、綜合能耗為75%、排水量為52%、硫酸根排放量為15%。全鈦渣工藝酸耗為渣礦混合酸耗的84%、水耗為95%、綜合能耗為86%、排水量為90%、硫酸根排放量為25%，基本不產生亞鐵副產物［3-4］。采用全鈦渣工藝生產鈦白粉從環境負荷角度是最優的。

表3 生產1 t鈦白粉清單

1.4 全鈦渣生產鈦白粉問題分析

1.4.1 全鈦渣生產鈦白粉優點

從能耗、物耗、排放等指標分析，全鈦渣工藝具有三廢排放量小以及能耗、物耗低等優勢。同時，從生產工藝角度，全鈦渣工藝與全鈦精礦工藝相比還具有以下優點：1）由于鈦渣TiO2品位高、雜質含量大幅降低，有利于鈦白粉產品質量的提高；2）酸解排放廢氣、殘渣、沉降污泥等數量都減少1/3；3）可省略鐵屑還原、冷凍結晶、硫酸亞鐵分離、鈦液濃縮等工序；4）鐵屑不用購買，冷凍和濃縮費用可省去；5）可以縮短生產周期，提高產量20%。

1.4.2 全鈦渣生產鈦白粉存在的問題

1）成本高、推廣難。1991年世界鈦白粉生產總量中有39%是用高鈦渣生產的，1996年上升至41%，2005年升至46%，與此相比鈦鐵礦在世界鈦白粉生產用量中所占比例將從1996年的30%下降至2005年的25%［5］。中國鈦白粉生產2010年達到120萬t，其中硫酸法占98%，原料幾乎全部用鈦精礦。全鈦渣工藝不能在全國大面積推廣的主要原因是成本高［6］。全鈦渣法與全鈦精礦法生產1 t鈦白粉成本見表4。由表4看出，采用全鈦渣作原料比采用全鈦精礦作原料每噸鈦白粉就要增加成本638.5元。現在鈦白粉廠家多、競爭激烈，鈦白粉價格上不去，有些廠維持現有成本都難以為繼，再增加638.5元/t就要虧本。有些廠雖然有利潤，但其利潤率也會大大降低。所以，全鈦渣工藝成本太高，鈦白粉廠難以承受。使用全鈦渣工藝可以提高產量20%，這是直接見效的利益；可以使酸解廢氣、殘渣、沉降污泥減少1/3，這樣的環保效益是間接的，對廠家吸引力有限。

表4 全鈦渣法與全鈦精礦法生產1 t鈦白粉成本比較

2）鈦白粉全生命周期能耗高。從鈦白粉生產工序看，全鈦渣工藝可以節能25%左右。然而現有電爐生產高鈦渣過程卻是一個高能耗過程，每噸全鈦渣的冶煉電耗在2650 kW·h左右，如果將鈦精礦生產高鈦渣的能耗考慮進去，則從整個鈦白粉的生命周期來看，全鈦渣工藝的綜合能耗（標煤）要增加442 kg，噸產品綜合能耗將提高到1.64 t，相比全鈦精礦工藝1.6t的能耗將不再具有明顯優勢。

1.4.3 對策及建議

針對全鈦渣工藝推廣難問題提出建議：1）加強政策扶持和執行力度。制定支持、扶持政策，鼓勵企業采用全鈦渣工藝生產鈦白粉。加強環境保護宣傳和執法力度，增加企業環境違法行為成本，強迫企業采用污染小、環境優生產工藝。2）降低高鈦渣能耗。高鈦渣生產屬高耗能，生產1 t高鈦渣要消耗冶金焦206 kg、石墨電極 27 kg、電耗 2650 kW·h，副產煤氣340 m3（CO體積分數約78%），如能充分利用副產煤氣則能有效降低高鈦渣綜合能耗和生產成本。

2 結論及建議

硫酸法鈦白粉生產中副產的亞鐵和廢酸一直是制約該工藝發展的重要因素之一。通過對全鈦精礦、渣礦混合、全鈦渣3種原料硫酸法鈦白粉生產工藝在能耗、物耗、排放方面的環境負荷研究，認為全鈦渣工藝是環境最優生產工藝，但是還應想辦法降低全鈦渣生產過程的能耗和生產成本。

［1］裴潤.硫酸法鈦白生產［M］.北京：化學工業出版社，1982.

［2］田犀，蒲靈，潘成武.攀枝花地區釩鈦磁鐵礦用氯化法和硫酸法生產鈦白粉的環境負荷比較［J］.有色金屬，2010，62（1）：113-116.

［3］李功軍.鈦白副產硫酸亞鐵制備氧化鐵系列顏料的研究［D］.湘潭：湘潭大學碩士學位論文，2004.

［4］蒲貴兵，孫可偉.硫酸法鈦白副產物硫酸亞鐵的綜合利用分析［J］.中國資源綜合利用，2007，25（7）：12-14.

［5］唐文騫.我國鈦白工業發展與思索［J］.化工設計，2007，17（5）：8-10.

［6］張樹立.酸溶性鈦渣制取鈦白工業試驗［J］.鋼鐵釩鈦，2005，26（3）：33-36.